Aerodynamic Shape Optimization of the Helicopter Main Rotor Hub Beanie, Using Advanced Multi-Objective Evolutionary Algorithms

In this PhD thesis, a comprehensive aerodynamic characterization of the helicopter main rotor hub beanie is carried out. This component is involved in the reduction of the tail shake phenomenon which is a problem of great concern for the industrial manufactures, such as AgustaWestland, the helicopter company that has sponsored this research. The numerical model of three beanie geometries are created and validated against specific experimental data. Then, an extensive CFD test campaign was carried out to evaluate the aerodynamic performance of such a component at different operating conditions and in different configurations. In particular, the attention is focused on the analysis of both the beanie capabilities to downward deflect the oncoming flow, and the aerodynamic loads that act on this component. On the basis of these analyses, a series of new guidelines for the design and the certification of the beanie are gathered and submitted to AgustaWestland. Moreover, the aerodynamic optimization of a specific beanie model, the AW101, is presented in this work. The final aim is the investigation of new hub cap geometries that manifest improved capabilities in the downward deflection of wake and low aerodynamic drag with respect to the original model. Amongst the different optimal solutions provided by the multi-objective optimization carried out using an advanced evolutionary algorithm, three new beanie geometries are selected and analysed via CFD to compare their aerodynamic performances to those of the original AW101 hub cap. Finally, a new beanie concept-design, named HBM, is presented. The model was created in order to investigate the effects of a hollow structure on the beanie capabilities in the downward deflection of the wake. A parametric study is also carried out to highlight the effects of some specific geometrical parameters on the beanie performances. The results are encouraging, and the HBM model seems promising, though a more comprehensive numerical analysis will be required before the model can be used for real industrial purposes

Questa tesi di dottorato è finalizzata all'analisi aerodinamica completa e approfondita di un componente dell’elicottero, denominato beanie, che viene installato sulla parte superiore del rotore principale a copertura del mozzo. Tale componente è coinvolto nella riduzione del fenomeno del tail shake che risulta essere un problema di particolare interesse per i produttori di elicotteri come AgustaWestland, l’Azienda che ha finanziato questa ricerca. I modelli numerici di tre differenti geometrie di beanie sono stati creati e validati utilizzando specifici dati sperimentali. E’ stata svolta una dettagliata campagna di test CFD al il fine di valutare le prestazione aerodinamiche di questi componenti in diverse condizioni di esercizio. In particolare, si è focalizzata l’attenzione sull'analisi sia delle capacità del beanie di deflettere il flusso verso il basso, sia sui carichi aerodinamici che agiscono su di esso. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato possibile ottenere una serie di nuove linee guida per la progettazione e la certificazione di questo particolare componente aerodinamico, che andranno a sostituire l’attuale metodo applicato da AgustaWestland. E’ stata poi svolta la ottimizzazione aerodinamica di uno specifico modello di beanie, l’AW101, con lo scopo di investigare nuove geometrie di questo componente che presentassero migliori capacità di deflessione verso il basso della scia e contemporaneamente fossero caratterizzate da una minore resistenza aerodinamica. L’ottimizzazione multi-obiettivo è stata realizzata usando una specifica procedura che implementa al suo interno un algoritmo evolutivo avanzato. Tra tutte le possibili soluzioni “ottime” ottenute, ne sono state scelte tre e le loro prestazioni sono state poi confrontate con quelle del modello di beanie originale. Infine è stato presentato un nuovo prototipo di beanie, denominato HBM. Il modello è stato creato con lo scopo di investigare gli effetti di una struttura cava sulle capacità del componente di deflettere verso il basso della scia. Oltre ad una analisi del modello base si è proceduto anche a uno studio parametrico per evidenziare gli effetti di alcune specifiche variabili geometriche sulle prestazioni aerodinamiche del beanie. I risultati sono incoraggianti e il modello HBM sembra avere delle caratteristiche promettenti, tuttavia è necessaria ancora un’analisi numerica dettagliata e approfondita prima che questo nuovo beanie possa essere impiegato in ambiente industriale